壓力管路和孔口

1、工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)1 15.水力計(jì)算 前面闡述了流體運(yùn)動的基本規(guī)律，本章將運(yùn)用前面介紹的流體運(yùn)動規(guī)律的普遍原理，分析和討論工程實(shí)踐中的孔口、管嘴出流和有壓管流問題，為工程設(shè)計(jì)提供必要的分析計(jì)算方法。 研究流體經(jīng)過容器壁上孔口或管嘴出流，以及流體沿有壓管路的流動，對水利水電、環(huán)境保護(hù)、給排水、采暖通風(fēng)、市政建設(shè)、交通運(yùn)輸?shù)裙こ逃泻艽蟮膶?shí)用意義。如水利工程中，常用閘門來控制流量，閘下出流就是一種孔口出流；船閘閘室的沖水放水也常用孔口來控制；給排水中各類取水，泄水閘孔的水力計(jì)算，通風(fēng)工程中空氣經(jīng)門，窗等的流量計(jì)算等。工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)2 25.水力計(jì)算5.1 概 述 基本概念： 1、管道

2、管路管線： 在工程流體力學(xué)中可以認(rèn)為是同義詞。 2、壓力管道： 液流充滿整個有效截面，并在一定壓差下流動，管道周界各點(diǎn)受到液體壓強(qiáng)作用，其斷面各點(diǎn)壓強(qiáng)，一般不等于大氣壓強(qiáng)。 液液 體體管管 壁壁有壓管道有壓管道液體自由面液體自由面 管管 壁壁無壓管道無壓管道工程中，常用各種有壓管道輸工程中，常用各種有壓管道輸送液體，如水電站壓力引水鋼送液體，如水電站壓力引水鋼管；水庫有壓泄洪隧洞或泄水管；水庫有壓泄洪隧洞或泄水管；供給的水泵裝置系統(tǒng)及管管；供給的水泵裝置系統(tǒng)及管網(wǎng)；輸送石油的管道。網(wǎng)；輸送石油的管道。工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)3 35.水力計(jì)算 管內(nèi)壓力可以高于大氣壓（如泵的排出管路）也可以低于

3、大氣壓（例如泵的吸入管道）工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)4 45.水力計(jì)算一、管路的規(guī)格 主要參數(shù)是（公稱）直徑。見表5-1 如果同一種外徑管路，有幾種不同的壁厚，規(guī)格用外徑乘以壁厚來表示。For example :872010720和公稱直徑（DN: Diameter Normal) (Dg是以前的國內(nèi)叫法，Diameter Gong(公的漢語拼音)的簡寫.現(xiàn)在都叫DN了.) 又叫公稱通徑，是管材和管件規(guī)的主要參數(shù)。公稱直徑是為了設(shè)計(jì)、制造、安裝和維修方便而人為規(guī)定的管材、管件規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)直徑，所以它是一種名義直徑（或稱呼直徑）。 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)5 55.水力計(jì)算二、管路的分類1、長管和短

4、管 根據(jù)沿程阻力損失和局部阻力損失在總根據(jù)沿程阻力損失和局部阻力損失在總水頭損失中所占份額來劃分水頭損失中所占份額來劃分. .1）長管： 輸送距離較遠(yuǎn)，兩段壓差大，輸送距離較遠(yuǎn)，兩段壓差大，局部阻力損失和局部阻力損失和速度頭之和，與沿程阻力損失比較而言可以忽略速度頭之和，與沿程阻力損失比較而言可以忽略?；虬凑昭爻套枇p失的或按照沿程阻力損失的5%-10%5%-10%來折算。來折算。2）短管： 又稱水力短管。又稱水力短管。局部阻力損失和速度水頭不可局部阻力損失和速度水頭不可忽略忽略。分支較多，壓差較小，并有大量管道聯(lián)接部。分支較多，壓差較小，并有大量管道聯(lián)接部件的管路系統(tǒng)常屬于短管件的管路系統(tǒng)常

5、屬于短管。工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)6 65.水力計(jì)算1。 長管和短管不按管道絕對長度決定。長管和短管不按管道絕對長度決定。2。 當(dāng)管道存在較大局部損失管件，例如局當(dāng)管道存在較大局部損失管件，例如局部開啟閘門、噴嘴、底閥等。即使管道很部開啟閘門、噴嘴、底閥等。即使管道很長，局部損失也不能略去，必須按短管計(jì)長，局部損失也不能略去，必須按短管計(jì)算。算。工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)7 75.水力計(jì)算2、簡單管路和復(fù)雜管路： 等徑無分支，流量沿程不變等徑無分支，流量沿程不變的管道稱為的管道稱為簡單管路簡單管路，除此之外都可以稱為，除此之外都可以稱為復(fù)雜管路復(fù)雜管路。復(fù)雜管路系統(tǒng)一般由兩支以上簡單管路組成。工

6、程流體力學(xué)工程流體力學(xué)8 85.水力計(jì)算3、管路特性曲線 在管道中，在不同流量情況下的流速不同，水頭損失也不同。2252222282162QQDLggDQDLgvDLhLQLhQmH根據(jù)上式繪制二維圖形Q-hL圖，或Hm-hL圖，稱為管路特性曲線。管路特性曲線有泵的管路特性曲線LhgppZZ1212工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)9 95.水力計(jì)算說明說明：（1）當(dāng)由泵輸送液體時，因泵給出的揚(yáng)程）當(dāng)由泵輸送液體時，因泵給出的揚(yáng)程H要克服要克服位差和水頭損失，繪制管路特性曲線時，縱坐標(biāo)以位差和水頭損失，繪制管路特性曲線時，縱坐標(biāo)以泵的揚(yáng)程為準(zhǔn)，固管路特性曲線相應(yīng)地要平移一個泵的揚(yáng)程為準(zhǔn)，固管路特性曲線相

7、應(yīng)地要平移一個位差的高度。位差的高度。（2）理論上有層流到紊流應(yīng)有折點(diǎn)，實(shí)用上不予考）理論上有層流到紊流應(yīng)有折點(diǎn)，實(shí)用上不予考慮，而繪制成光滑曲線。慮，而繪制成光滑曲線。（3）根據(jù)水頭損失的計(jì)算通式，當(dāng)有局部水頭損失）根據(jù)水頭損失的計(jì)算通式，當(dāng)有局部水頭損失時，可折算為當(dāng)量長度并入沿程水頭損失時，可折算為當(dāng)量長度并入沿程水頭損失（4）管路特性曲線對于確定泵的工況和自流泄油工）管路特性曲線對于確定泵的工況和自流泄油工況，將有重要作用，在工程中經(jīng)常使用。況，將有重要作用，在工程中經(jīng)常使用。工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)10105.水力計(jì)算5.2 簡單長管的水力計(jì)算 長管是有壓管的簡化模型。由于長管不計(jì)流

8、速水頭和局部水頭損失，所以水力計(jì)算相對簡化。 簡單長管是工程中常見的一種管路。短途無中繼泵站的輸油管線、長途兩泵站間管路都屬于簡單長管。工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)11115.水力計(jì)算管道水力計(jì)算主要任務(wù) (1)根據(jù)給定的流量和允許的壓強(qiáng)損失確定管道直徑和管道布置；(2)根據(jù)給定的管道直徑、管道布置和流量來驗(yàn)算壓強(qiáng)損失；(3)根據(jù)給定的管道直徑、管道布置和允許的壓強(qiáng)損失，校核流量。 管道水力計(jì)算的基本公式有連續(xù)性方程、伯努利方程和管道水力計(jì)算的基本公式有連續(xù)性方程、伯努利方程和能量損失公式等三個。能量損失公式等三個。連續(xù)性方程： 或 伯努利方程：式中E為外界（泵、風(fēng)機(jī)等）加給單位重量流體的機(jī)械能。

9、常數(shù)222111AgVAgVqmw2222211122hgVgpzEgVgpz常數(shù)2211AVAVqV工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)12125.水力計(jì)算 能量損失 其中 由上面管道系統(tǒng)分類可知，管道系統(tǒng)的分類類似于電路系統(tǒng)。因此，管道水力計(jì)算類似于電路計(jì)算，管道中的流量相當(dāng)于電路中的電流；壓降相當(dāng)于電壓，管道阻力相當(dāng)于電阻。jfLhhhgvdlh22fgvh22j工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)13135.水力計(jì)算一、簡單長管的能量方程 簡單長管中穩(wěn)定有壓流如下圖所示。簡單長管中穩(wěn)定有壓流如下圖所示。由于由于忽略流速水頭及局部水頭損失忽略流速水頭及局部水頭損失，所以，所以總水頭線和測壓管水頭線相重合?？偹^

10、線和測壓管水頭線相重合。作用水頭H：指提供的能量工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)14145.水力計(jì)算對1-1截面到2-2截面建立伯努利方程212222211122Lhgvgpzgvgpz由于簡單長管的速度頭和局部損失可以忽略，于是：fhgpzgpz2211此式即為簡單長管的能量方程工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)15155.水力計(jì)算 若2-2截面與大氣相通，則p2=0，于是能量方程可以簡化為：2112fhzzH該式說明： 簡單長管中，提供的能量(總水頭）主要用于克服沿程阻力損失。工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)16165.水力計(jì)算二、沿程水頭損失的基本計(jì)算公式1、不同流態(tài)下沿程水頭損失計(jì)算式：252522220826

11、. 08)4(212QDLhQDLgDQgDLgvDLhff上式在知Q和入時，計(jì)算方便。2、層流沿程水頭損失計(jì)算式：415. 4DLQhf工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)17175.水力計(jì)算3、紊流光滑區(qū)時損失計(jì)算：75. 425. 075. 10246. 0DLQhf4、通用公式-達(dá)西公式綜合式mmmfDLQh525、水力坡度為：mmmfDQLhi52工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)18185.水力計(jì)算mmmfLDhQ25流態(tài)m層流4.151紊流水力光滑區(qū)0.02460.25混合摩擦區(qū)0.08020.123水力粗糙管0.082606、流量表示為：式中 和 m 根據(jù)不同流態(tài)由表5-2確定表5-2 系數(shù) 和指數(shù)

12、m工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)19195.水力計(jì)算三、簡單長管水力計(jì)算 根據(jù)能量方程、達(dá)西公式綜合式和管路特性曲線，可以解決以下三方面的問題：1、已知管徑、管長和縱斷面圖，已知流量，求管道中的壓力降，或確定所需的供液水頭；2、已知管徑、管長和縱斷面圖，已知壓力降，求最大輸送能力；3、已知管長、地形及輸送的流量，要求設(shè)計(jì)最經(jīng)濟(jì)的管道直徑。（優(yōu)化算法）工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)20205.水力計(jì)算【第一類問題】： 已知管徑、管長和地形（即管線走向縱斷面圖），當(dāng)一定流量的某種液體通過時，確定管路中的壓力降，或確定所需的供液水頭，或計(jì)算水力坡度。計(jì)算步驟：1、定流態(tài)2、求沿程水頭損失3、求水力坡度工程流體力

13、學(xué)工程流體力學(xué)21215.水力計(jì)算例5-1某長輸油管直徑為260mm，長度50km，起點(diǎn)高度45m，終點(diǎn)高度84m，油的相對密度0.8，粘度系數(shù)27.610-6m2/s，設(shè)計(jì)輸油量200t/h，管壁絕對粗糙度 ,確定管路的壓降。15. 07817 .59Re4ReDQfmmmfhzzgppdLQh122152思路：求壓降,可以考慮長管的能量方程重點(diǎn)在求 根據(jù)雷諾數(shù)判斷流態(tài)。根據(jù)管壁粗糙度決定的紊流劃分判據(jù)劃分區(qū)域，再根據(jù)達(dá)西公式綜合式計(jì)算：fhgpzgpz2211fh工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)22225.水力計(jì)算【第二類問題】： 已知管徑、管長和地形，在一定壓力限制下，確定某種液體通過時的最大輸

14、送能力，即輸送量Q的大小。思路方法： 此類問題由于Q未知，不能確定流態(tài)，故宜采用試算法，步驟如下：1、由能量方程確定hf;2、假設(shè)流態(tài)，選擇和m，確定Q；3、用求出的Q,逆推Re,再判流態(tài)，若流態(tài)與假設(shè)的相符，即OK，若不符，再重復(fù)2、3.。工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)23235.水力計(jì)算【例5-2】相對密度為0.95的重油，運(yùn)動粘度為1.3St,沿內(nèi)徑為203mm的管路輸送。已知管長24Km，泵的出口壓強(qiáng)10.5atm,終點(diǎn)壓強(qiáng)1atm。管路起點(diǎn)低于終點(diǎn)15m，試求每小時能輸送多少噸油？解析：屬于第二類問題，求流量Q，用試算法假設(shè)為水力光滑區(qū)，=0.0246，m=0.25,則：75.125.07

15、5.4250246.0LDhLDhQfmmmf由簡單長管的能量方程：fhgpzgpz2211)(85)()(2211mgpzgpzhf工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)24245.水力計(jì)算于是：)(01585.0375.125.075.4smLDhQf校核流態(tài)：（層流）20007654ReDQvD故需改設(shè)層流計(jì)算，此時由表5-2可知=4.15，m=1，則：由：415. 4DLQhf得：)(111. 034smLDhQf雷諾數(shù)：（層流）20005364ReDQvD所以假設(shè)成立，即輸送量為：)(111. 03smQ 即：)(9 .37htQQm工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)25255.水力計(jì)算設(shè)計(jì)管徑的大致步驟：

16、1、據(jù)流量，在流速范圍內(nèi)選擇幾種不同管徑。2、按照所選管徑及流量算出實(shí)際流速。3、據(jù)實(shí)際流速等參數(shù)，判出流態(tài)，算出水頭損失。4、據(jù)水頭損失及壓降確定泵的揚(yáng)程、功率等。5、進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)【第三類問題】： 已知管長和地形及輸送液體的流量，要求設(shè)計(jì)最經(jīng)濟(jì)的管徑。工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)26265.水力計(jì)算【例5-4】庫內(nèi)管線，輸送距離1Km，局部損失按10%計(jì)，輸送相對密度0.75，粘度1.5cSt的輕油。設(shè)計(jì)輸量50t/h，終點(diǎn)高于起點(diǎn)15m，終點(diǎn)保持1atm的壓強(qiáng)，要求水力坡度小于5，問泵壓應(yīng)多大？管徑多大？其時的流態(tài)？（取=0.15mm）解析：1、求泵壓：用能量方程：2、求管徑：3、判流態(tài)：工

17、程流體力學(xué)工程流體力學(xué)27275.水力計(jì)算5.3 復(fù)雜管路的水力計(jì)算 任何復(fù)雜管路均由簡單管路串聯(lián)或并聯(lián)組成。故簡單長管的水力計(jì)算是復(fù)雜管路水力計(jì)算的基礎(chǔ)。一、串聯(lián)管路 由直徑不同的數(shù)段管子串聯(lián)在一起組成的管路。 每一段都是簡單管路。工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)28285.水力計(jì)算串聯(lián)管路水力特點(diǎn)：1、流量（連續(xù)） 各節(jié)點(diǎn)處流量出入平衡。0iQ若沿程無分流，有QQQQQi.3212、水頭損失fififffhhhhh.21工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)29295.水力計(jì)算二、并聯(lián)管路 兩條或兩條以上的管線同在一處分出，又在另一處匯合，這種組合而成的管線稱為并聯(lián)管路。 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)30305.水

18、力計(jì)算并聯(lián)管路水力特點(diǎn)：1、流量iiQQQQQQ.3212、水頭損失fifffhhhh.21工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)31315.水力計(jì)算三、水力計(jì)算1、串聯(lián)管路是在給定流量下，由經(jīng)濟(jì)流速選定管徑，分段按第一類問題求解。2、并聯(lián)一般總流量給定，但分支流量未知，可按第二類問題求解。注意對達(dá)西綜合式的應(yīng)用。以3管并聯(lián)為例：333222111533233522222511211mmmfmmmfmmmfDLQhDLQhDLQh321QQQQ3管4方程(1)(2)(3)(4)工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)32325.水力計(jì)算思路:(試算）1.假設(shè)流態(tài),確定和 m值。2.以一管為準(zhǔn)，算出流量，再用上4式解出其他管

19、線流量。(具體見P115)3.校核流態(tài)，與假設(shè)是否相符。若符即可，不符再設(shè)工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)33335.水力計(jì)算【例題5-5】 今有輸原油的兩條并聯(lián)管路，已知總輸量為182t/h,原油的相對密度為0.895,運(yùn)動粘度為0.42St,管徑和管長分別為D1=156mm,D2=203mm,L1=10Km,L2=8Km ，試確定流量Q1,Q2及其水頭損失。解：1.假設(shè)2管均為水力光滑區(qū)，故由表5-2可知m=0.25,=0.0246,則由兩管的達(dá)西綜合式聯(lián)立有：21512212LLDDQQmm所以：1175.175.41221233.2.QQDDLLQ又因：1112133.333.2QQQQQQ所

20、以：)/(0396.033.2)/(017.0360010895.033.31018233.33123331smQQsmQQ工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)34345.水力計(jì)算2.校核流態(tài)：管路1：3300.411DQRe管路2：5860.422DQRe5102000eR可見均在水力光滑區(qū)，與假設(shè)相符。流量可用3.求水頭損失：由達(dá)西綜合式：油柱）mDLQDLQhmmmf(108.0246. 025. 051125. 025. 021511211111工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)35355.水力計(jì)算四、管路特性1、串聯(lián)管路 根據(jù)無分流時，先分段繪，再按同流量下水頭損失疊加得到總特性曲線：工程流體力學(xué)工程流體

21、力學(xué)36365.水力計(jì)算2、并聯(lián)管路特性曲線 同樣先分別繪制，再按同水頭損失下流量相加的方法得到總管特性曲線：工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)37375.水力計(jì)算五、應(yīng)用1、提高輸油量工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)38385.水力計(jì)算2、延長輸送距離工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)39395.水力計(jì)算3、客服翻越點(diǎn)工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)40405.水力計(jì)算二、分支管路 自一點(diǎn)分支，而后不再匯合的管路稱為分支管路。 如：泵站，油庫的輸油和給水管路。其水力特點(diǎn)和串聯(lián)管路類似：1)、各節(jié)點(diǎn)處出入流量平衡。2)、沿一條管線上總水頭損失為各段水頭損失之和。水力計(jì)算內(nèi)容：選擇管徑D，確定流量分配Q，計(jì)算水頭損失h，確定作用水

22、頭H，泵壓P等工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)41415.水力計(jì)算 中國天然氣管道工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)42425.水力計(jì)算川渝環(huán)網(wǎng)干線：北干線 南干線管長：2906千米管徑：最大720mm鋼材：X60工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)43435.水力計(jì)算分支管路的水力計(jì)算方法：方法一：1、將整個分支管路系統(tǒng)從起點(diǎn)到末端終點(diǎn)分成若干條串聯(lián)管路（干線），有幾個末端點(diǎn)就有幾條干線。2、分別對每一條干線進(jìn)行水力計(jì)算，求出每條干線所需的作用水頭或泵壓。3、將其中最大的作用水頭或泵壓作為整個分支管路系統(tǒng)的作用水頭或泵壓。 此法一般適用于分支較少的管路（n3)工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)44445.水力計(jì)算【例題】圖為水塔供

23、水分支管路，已知用戶C和D所需的流量分別為Qc,Qd,各段管徑，長度和各點(diǎn)位置高度圖示，各用戶的剩余壓頭為Hc,Hd,求起點(diǎn)A的水塔高度。解析：工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)45455.水力計(jì)算方法二：1.選定一條主干線（一般以從起點(diǎn)到最遠(yuǎn)點(diǎn)為主干線）。2.按各終點(diǎn)流量要求逆配各段管路流量(流入?yún)R合點(diǎn)流入?yún)R合點(diǎn)的流量等于自匯合點(diǎn)流出的流量的流量等于自匯合點(diǎn)流出的流量)。 3.根據(jù)流量及合理經(jīng)濟(jì)流速，選定各段管徑。4.計(jì)算干線各段水頭損失，確定干線上各節(jié)點(diǎn)處的壓頭，進(jìn)而推算起點(diǎn)壓頭，以確定泵壓或塔高。5.以算出的節(jié)點(diǎn)壓頭為準(zhǔn)，確定各支路的水頭損失，再根據(jù)設(shè)定的管徑校核水頭損失。若對比后相差過大，需重新

24、選擇管徑。工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)46465.水力計(jì)算【例題】圖示從泵房向三個罐區(qū)輸油。設(shè)計(jì)流量為：號罐區(qū)為60m/h, 號罐區(qū)為50m/h, 號罐區(qū)為50m/h.各點(diǎn)高程以米計(jì)算，標(biāo)于內(nèi)（各段長度單位為米。）每個罐最高油位高度設(shè)11m.油面上蒸汽壓強(qiáng)為2.5m油柱。油品運(yùn)動粘度為0.07St,相對密度為0.83.試確定各管直徑以及泵出口壓頭。工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)47475.水力計(jì)算解析：圖表法1.圖示選擇ABC為主干線，則B,C為支線。2.按設(shè)計(jì)要求分配流量如下表：管段ABBCBCC流量m/h160100605050m/s0.04450.02780.01670.01390.01393.選

25、管徑。取經(jīng)濟(jì)流速2m/s. 各段管徑如下：管段ABBCBCC試算D，m0.1680.1330.1030.0940.094選用D，m16861561405130108410010841001084100vQD4工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)48485.水力計(jì)算4.計(jì)算干線各段水頭損失：段別流速m/sRemL,m ,mAB3.33518000.02460.250.0043100.051410001.4737.0BC2.09389000.0018956000.61823.2C1.77253000.0005414000.177815.4mQ2mmD5fh4105.由能量方程，確定各點(diǎn)壓頭。點(diǎn)z, mz+p/

26、gp/gA40106.1+37.0=143.137.0143.1-40=103.1B4589.2+23.2=106.123.2106.1-45=61.1C5067.5+15.4=82.915.482.9-50=32.95454+13.5=67.511+2.5=13.5fh工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)49495.水力計(jì)算6.計(jì)算支線管路的水頭損失，校核管徑。管段L， mQ,m/sD,mV,m/sRemB5000.01670.12.13304000.02460.25C3000.01390.11.77253000.02460.25管段實(shí)際校核計(jì)算B7.750.05140.177827.6106.1-(6

27、0+13.5)32.6C5.410.05140.177811.582.9-(52+13.5)17.4mQ2mmD5fh410gpzgpzhf22114107.管徑比較分析。工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)50505.水力計(jì)算5.5 短管的水力計(jì)算 室內(nèi)管路、泵的吸入管路等，由于局部裝置較多，均屬于短管。 本節(jié)介紹使用簡化的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算短管系統(tǒng)的流量、阻力損失等參數(shù)。工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)51515.水力計(jì)算一、短管的實(shí)用計(jì)算公式圖示管段，由兩種不同直徑的直管、各種管件組成。1-大閘門；2、3、6、7、8-彎頭；4-孔板流量計(jì)；5、大小接頭；9-小閘門AB工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)52525.水力計(jì)算現(xiàn)

28、通過上圖來推導(dǎo)短管使用計(jì)算公式：對AB段：其作用水頭H0：LhgvH2220jfLhhh式中的hL應(yīng)為：為便于計(jì)算，將各個截面處的速度，都整合成出口處流速v2將阻力損失進(jìn)行折算，簡化得到：gvhcL22管系綜合阻力系數(shù)同樣得到：222021QgAQHc02gHAQc11 即為短管的實(shí)用計(jì)算公式，可解決短管水力計(jì)算問題工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)53535.水力計(jì)算二、管路特性曲線222021QgAQHc工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)54545.水力計(jì)算【例5-7】兩水箱用兩段直徑不同的水管連接，管道長度都是10m。粗管直徑200mm，細(xì)管直徑100mm。求管路中的流量。H5 . 016 . 021 .

29、0312. 0416019. 01018. 026 . 05解題思路：將各段的沿程阻力損失、局部阻力損失的總和，折算為一個簡單長管的阻力損失。這個阻力損失與當(dāng)量速度水頭成正比。02gHAQLhgvH220出工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)55555.水力計(jì)算gvgvDLgvDLhhhcLLL22222226543222212111121即：748. 3)(654322241221111DLDDDLcCgHv22代入：即有：)(02. 032smAvQ所以：)(24. 1222mHgvhCL工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)56565.水力計(jì)算應(yīng)用應(yīng)用1:水泵吸水管的水力計(jì)算水泵吸水管的水力計(jì)算 一個抽水系統(tǒng)通過

30、電機(jī)帶動水泵轉(zhuǎn)子一個抽水系統(tǒng)通過電機(jī)帶動水泵轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)輪）的作用，在水泵進(jìn)水口形成真空，（轉(zhuǎn)輪）的作用，在水泵進(jìn)水口形成真空，使水流在池面大氣壓強(qiáng)的作用下沿吸水管上使水流在池面大氣壓強(qiáng)的作用下沿吸水管上升，流經(jīng)水泵時從水泵獲得新的能量，進(jìn)入升，流經(jīng)水泵時從水泵獲得新的能量，進(jìn)入壓力管，再流入水塔。壓力管，再流入水塔。吸水管和壓力水管吸水管和壓力水管 吸水管吸水管:短管短管 壓力水管壓力水管:長管長管工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)57575.水力計(jì)算水泵系統(tǒng)的水力計(jì)算水泵系統(tǒng)的水力計(jì)算工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)58585.水力計(jì)算工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)59595.水力計(jì)算工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)6060

31、5.水力計(jì)算應(yīng)用應(yīng)用2: 虹吸管的水力計(jì)算虹吸管的水力計(jì)算 虹吸管是一種壓力輸水管道，頂部彎曲且其高虹吸管是一種壓力輸水管道，頂部彎曲且其高程高于上游供水水面。在虹吸管內(nèi)造成真空，使作程高于上游供水水面。在虹吸管內(nèi)造成真空，使作用虹吸管內(nèi)產(chǎn)生真空，水流則能通過虹吸管最高處用虹吸管內(nèi)產(chǎn)生真空，水流則能通過虹吸管最高處引向其他處。引向其他處。 虹吸管的優(yōu)點(diǎn)在虹吸管的優(yōu)點(diǎn)在于能跨越高地，減少于能跨越高地，減少挖方。挖方。 虹吸管長度一虹吸管長度一般不長，故按照短管般不長，故按照短管計(jì)算。計(jì)算。工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)61615.水力計(jì)算 虹吸管頂部的真空壓強(qiáng)理論值不能大于最大虹吸管頂部的真空壓強(qiáng)理論

32、值不能大于最大真空值（真空值（10mH2O10mH2O）。 當(dāng)虹吸管內(nèi)壓當(dāng)虹吸管內(nèi)壓強(qiáng)接近該溫度下強(qiáng)接近該溫度下的汽化壓強(qiáng)時，的汽化壓強(qiáng)時，液體將產(chǎn)生汽化液體將產(chǎn)生汽化，破壞水流連續(xù)，破壞水流連續(xù)性，可能產(chǎn)生空性，可能產(chǎn)生空蝕破壞，故一般蝕破壞，故一般虹吸管中的真空虹吸管中的真空值值7 78mH2O8mH2O。 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)62625.水力計(jì)算【例【例1 1】：】：有一渠道用兩根直徑為有一渠道用兩根直徑為1.0m1.0m的混凝土虹吸管來跨越的混凝土虹吸管來跨越山丘，山丘， 上游水位為上游水位為1 1100.0m100.0m，下游水位為，下游水位為2 299.0m99.0m，虹吸管長

33、度虹吸管長度l l1 1 = 8m = 8m ；l l2 2= 15m= 15m；l l3 3 = 15m = 15m，沿程阻力系數(shù)為，沿程阻力系數(shù)為0.030.03，彎頭的局部水頭損失系數(shù)為，彎頭的局部水頭損失系數(shù)為0.3650.365，進(jìn)口局部水頭損，進(jìn)口局部水頭損失系數(shù)為失系數(shù)為0.50.5；出口局部水頭損失系數(shù)為；出口局部水頭損失系數(shù)為1.01.0。試確定：當(dāng)虹。試確定：當(dāng)虹吸管中的最大允許真空度為吸管中的最大允許真空度為 7mH7mH2 2O O時，虹吸管最高時，虹吸管最高安裝高程安裝高程 z zs s為多少？為多少？ 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)63635.水力計(jì)算思路分析：1. 1.

34、求流量求流量列00、11伯努利方程：gvdlhZw2)(24321101021120020020whgvgvZAvq 1 11 1工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)64645.水力計(jì)算 虹吸管中最大真虹吸管中最大真空一般發(fā)生在管空一般發(fā)生在管道最高位置。道最高位置。本題最大真空發(fā)生本題最大真空發(fā)生在第二個彎頭后在第二個彎頭后的的B-B B-B 斷面。考斷面?？紤]慮0-00-0斷面和斷面和B-B B-B 斷面的能量方程，斷面的能量方程，則則: : 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)65655.水力計(jì)算BwBshgvgpzgv022002200列00、BB伯努力方程gvdllhBw2)(2321210123gvdll

35、ahgavzhgavzgpgpBBwsBwsBB2)(7)2(77272321210202即：即應(yīng)有：斷面處為最大真空度處又工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)66665.水力計(jì)算5.6 定水頭孔口和管嘴泄流 在裝有流體的容器壁上開一孔口，液體從孔口外流，這種現(xiàn)象稱為孔口出流（泄流）。如油庫、排水工程中各類?。ㄓ停┧顾l孔，以及某些量測流量設(shè)備均屬孔口。在孔口周邊連接一長為34倍孔徑的短管，水經(jīng)過短管并在出口斷面滿管流出的水力現(xiàn)象，稱為管嘴出流。如水力采煤用的水槍，汽車發(fā)動機(jī)的汽化器，柴油機(jī)的噴嘴,消防水槍和水力機(jī)械化施工用水槍等。 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)67675.水力計(jì)算孔口和管嘴泄流在石油工業(yè)

36、中的應(yīng)用孔口和管嘴泄流在石油工業(yè)中的應(yīng)用(1)鉆井過程中，泥漿由鉆具內(nèi)經(jīng)過鉆頭的水眼或噴嘴射入井腔沖擊地層；(2)油田開采工作中，自噴井通過油嘴控制石油的產(chǎn)量;(3)為保持地層的能量，在油田注水井中用水嘴將高壓水分別注入各個油層;(4)在油氣輸送工作中，儲運(yùn)工人計(jì)量油氣的輸送量，是利用油氣通過孔板孔眼時的節(jié)流壓降的大小來測量計(jì)算的;(5)在石油加工、天然氣凈化工作中，常常將液體由噴射塔的噴嘴噴入另一種液體中，以加強(qiáng)分散提高傳熱或傳質(zhì)效果。工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)68685.水力計(jì)算1.黃河小浪底工程為控制黃河水沙的關(guān)鍵性骨干工程，是國內(nèi)外首次采用孔板泄洪洞的大型工程?？装逍购槎垂ぷ骰￠T的最大工

37、作水頭為140m，孔口出流流速高達(dá)35m，單洞最大泄洪功率超過2000MW?！酒渌鼘?shí)例】：工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)69695.水力計(jì)算2.船閘閘室的充水、泄水3.水處理（沉淀水池）4.等等工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)70705.水力計(jì)算一、孔口出流的分類：1、定水頭出流和變水頭出流 出流過程中，若作用水頭不隨時間變化，稱為定水頭出流。如果變化，則稱為變水頭出流。2、自由出流和淹沒出流 若流入大氣，稱為自由出流。若流入充滿液體的空間，稱為淹沒出流。 自由出流淹沒出流此處壓強(qiáng)近似為大氣壓強(qiáng)此處壓強(qiáng)近似為下游水深的靜水壓強(qiáng)工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)71715.水力計(jì)算3、薄壁孔出流和厚壁孔出流 如果液體具

38、有一定的流速，能形成射流，且孔口具有尖銳的邊緣，此時邊緣厚度的變化對于液體出流不產(chǎn)生影響，出流水股表面與孔壁可視為環(huán)線接觸，這種孔口稱為薄壁孔口(圖a)。 特征：L/d2 如果液體具有一定的速度，能形成射流，此時雖然孔口也具有尖銳的邊緣，射流亦可以形成收縮斷面，但由于孔壁較厚，壁厚對射流影響顯著，射流收縮后又?jǐn)U散而附壁，這種孔口稱為厚壁孔口或長孔口，有時也稱為管嘴(圖b)。 特征：2L/d4沒有沿程水頭損失，只有收縮斷面的局部損失不僅有沿程水頭損失，也有收縮斷面的局部損失工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)72725.水力計(jì)算4、小孔口出流和大孔口出流 小孔口：以孔口斷面上流速分布的均勻性為衡以孔口斷面上

39、流速分布的均勻性為衡量標(biāo)準(zhǔn)，如果孔口斷面上各點(diǎn)的流速是均勻分布的，量標(biāo)準(zhǔn)，如果孔口斷面上各點(diǎn)的流速是均勻分布的，則稱為小孔口。則稱為小孔口。 特征：特征：d0.1H工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)73735.水力計(jì)算 不加外來能源，靠自然位差獲得能量輸送或派出液體的管道，稱為自流管路。工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)74745.水力計(jì)算一、定水頭孔口泄流 斷面收縮系數(shù)：1)(2ddc 圖示，設(shè)孔口為圓形，孔徑為d。當(dāng)水流從孔口出流時，由于慣性，水流在孔口后出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，且在距孔口d/2處收縮到最小面積，該處斷面稱為收縮斷面，此處壓強(qiáng)可近似為大氣壓。過了收縮斷面，液體靠自重下落。dc工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)75

40、755.水力計(jì)算 現(xiàn)推導(dǎo)該模型下的速度與流量近似公式，取液面和截面c，列伯努利方程，并化簡：00002022221121gHAgHAAvQgHgHvgvHcccc孔孔所以：即：孔口阻力系數(shù)流速系數(shù)流量系數(shù)gvgvgvhgvgpzgvgpHHhgvgpzgvgpHcccjccccwccc2)12222222222211012211孔孔（）（令作用水頭工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)76765.水力計(jì)算 經(jīng)驗(yàn)表明：對圓形薄壁小孔口，這些系數(shù)都接近常數(shù)：64. 062. 097. 006. 01106. 0孔 對理想流體，則：021, 1, 1, 0gHAQ 而流量孔 所以，流量系數(shù) 的物理意義為實(shí)際流量和

41、理想流量之比，流速系數(shù) 為實(shí)際流速和理想流速之比。工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)77775.水力計(jì)算小孔口的淹沒出流小孔口的淹沒出流 圖示小孔口的淹沒出流 ，以0-0為基準(zhǔn)，列1-1至2-2間能量方程：00因： 令: 則: 水流由孔口流出后突然擴(kuò)大的局部阻力系數(shù)， 水流經(jīng)孔口的局部阻力系數(shù) 所以: 1-12-2工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)78785.水力計(jì)算 注意： 自由出流時，水頭H值系水面至孔口形心的深度； 淹沒出流時，水頭H值系孔口上、下游水面高差。流速、流量與孔口在水面下的深度無關(guān)，所以也無“大”，“小”孔口區(qū)別。 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)79795.水力計(jì)算【例題】：請寫出下圖中兩個孔口Q1和

42、Q2的流量關(guān)系式（A1=A2)。圖1：Q1 Q2；圖2：Q1 Q2。（填、 或） 0.1時，需考慮在孔口射流斷面上各點(diǎn)的水頭、壓強(qiáng)、速度沿孔口高度的變化，這時的孔口稱為大孔口。 小孔口：當(dāng)孔口直徑d（或高度e）與孔口形心以上的水頭高度H的比值小于0.1，即d /H 0.1時，可認(rèn)為孔口射流斷面上的各點(diǎn)流速相等， 且各點(diǎn)水頭亦相等，這時的孔口稱為小孔口。 孔口出流：在容器壁上開孔，水經(jīng)孔口流出的水力現(xiàn)象就稱為孔口出流。 管嘴出流：在孔口上連接長為34倍孔徑的短管，水經(jīng)過短管并在出口斷面滿管流出的水力現(xiàn)象。 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)90905.水力計(jì)算2.薄壁小孔口自由出流，淹沒出流流量計(jì)算公式：

43、薄壁小孔口自由出流，淹沒出流流量計(jì)算公式： 自由出流出流時，H0為孔口形心以上的水面高度；淹沒出流時，H0為上、下游水面高度差。3.3.薄壁大孔口出流流量計(jì)算公式：薄壁大孔口出流流量計(jì)算公式： （自由出流）（淹沒出流同小孔口淹沒出流） 4.4.管嘴出流的工作條件管嘴出流的工作條件： 作用水頭H09.0m，管嘴長度l=(34)d 設(shè)孔口是直壁矩形，孔口寬為b 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)91915.水力計(jì)算5.管嘴出流的流量公式 同樣作用水頭下，管嘴出流的流量比孔口出流的流量大0.82/0.62=1.32倍。 6.圓柱形外管嘴的真空度 Hh74. 0工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)92925.水力計(jì)算5.7

44、 變水頭泄流 如圖，柱形容器、沒有流量注入、孔口自由泄流。此即變水頭出流（自由泄流），屬不穩(wěn)定流。工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)93935.水力計(jì)算一、自由泄流時間的計(jì)算方法定水頭下排空V的時間T:)(2221HHgAT變水頭下排空V的時間T0:TQVgHAHT2222110 在變水頭下，等截面的柱形容器排空液體所需時間T0是在定水頭作用下排出相同體積的液體所需時間T的2倍。容器橫截面積工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)94945.水力計(jì)算變截面排空時間若容器是在變水頭下充滿，計(jì)算方法同排空一樣。工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)95955.水力計(jì)算5.8 壓力管路中的水擊 在有壓管路內(nèi)，由于流速急劇變化，引起管內(nèi)壓強(qiáng)

45、突然變化，并在整個管長范圍傳播的現(xiàn)象，稱水擊。 當(dāng)急劇升降的壓力波波陣面通過管路時，產(chǎn)生一種聲音，猶如沖擊鉆工作時產(chǎn)生的聲音或用錘子敲擊管路時發(fā)出的噪音，稱之謂水擊，亦稱水錘。 突然變化的壓力稱為水擊壓力（管路中出現(xiàn)水擊現(xiàn)象時所增加或降低的壓力值 ）。工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)96965.水力計(jì)算1.發(fā)生水擊現(xiàn)象的物理原因：外因：管路中流速突然變化內(nèi)因：液體具有慣性和壓縮性。慣性：企圖維持液體原來的運(yùn)動狀態(tài);壓縮性：改變體積，緩和流體流動2.注意：考慮液體的壓縮性和管壁的彈性水擊中的液流參數(shù)隨時間和位置變化，水擊現(xiàn)象為不穩(wěn)定流動。 水擊壓力以壓力波的形式在管內(nèi)傳播。工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)97975.水力計(jì)算一、水擊產(chǎn)生和水擊波的傳遞 如圖表示具有固定液面的油罐、水庫或水塔，沿長度為l，直徑為d的等直徑管路流向大氣中，管路出口裝有控制閥門?，F(xiàn)以圖為例，說明壓力波傳遞過程。工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)98985.水力計(jì)算圖5-29 理想情況水擊波傳遞過程工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)99995.水力計(jì)算理想情況水擊波傳遞過